Величанский Лабораторный практикум Волоконно 2008

чтобы в ответвлении возбуждались низшие моды, слабее связанные с основным волноводом. Для этого многомодовые ответвители обычно делают как биконические, с плавными сужениями сердцевин в области перехода (рис. 15).

Оптические схемы с разветвителями показаны в разделе «Описание лабораторной установки». Со свойствами и применением 50%-ных Y-разветвителей можно познакомиться в ходе лабораторной работы.

Фотоприемные устройства ВОЛС

Основные технические требования, предъявляемые к фотоприемникам ВОЛС – высокая квантовая эффективность, высокое быстродействие, низкий уровень шумов, соответствие размеров чувствительной площадки и подходящей к ней сердцевины волокна.

Светочувствительная площадка типового фотодатчика для приемников ВОЛС обычно имеет диаметр от десятков до единиц микрон, и часто сопряжена с волокном-пигтейлом. Эти элементы чаще всего входят в состав гибридной интегральной схемы, содержащей усилитель мощности электрического сигнала и иные электронные цепи. Малая площадь чувствительной площадки датчика способствует малому уровню шума и высокому быстродействию, так как очень малыми становятся ток утечки, темновой ток и барьерная электрическая емкость фотодиода.

В качестве первичных преобразователей света в электрический сигнал в ВОЛС чаще всего применяют фотодиоды с лавинным (ударным) размножением подвижных носителей заряда в запорном слое объемного заряда p-n-перехода. Каждый носитель, образованный в запорном слое при поглощении фотона, ускоряется полем объемного заряда, и при достаточной его напряженности за счет столкновений образует новые носители. Они, в свою очередь, тоже могут давать новые носители, если при ускорении в электрическом поле на длине свободного пробега успевают набрать нужную энергию. Обычно один носитель успевает породить минимум одну–две пары новых, и этот эффект лавинообразного размножения носителей выглядит как усиление тока.

41

На практике в лавинных фотодиодах коэффициент размножения носителей при оптимальном запорном напряжении (15...30 В) достигает примерно десяти и более. При увеличении напряжения выше оптимума начинается рост мощности шума, опережающий рост полезного сигнала. С точки зрения инженера фотоприемник с лавинным фотодиодом выглядит как твердотельный функциональный аналог вакуумного фотоэлектронного умножителя, с меньшим коэффициентом внутреннего усиления, но гораздо компактнее и стабильнее.

Рис. 16. Германиевый лавинный фотодиод ЛФД-2; габарит корпуса 9 мм, светочувствительная площадь 100 мкм,

усиление по току 10

Для линий связи, работающих на длине волны 0,85 мкм, наиболее пригодны фотодиоды из кремния, квантовая эффективность которых достигает 90% и даже несколько более. У кремниевых фотодиодов очень низкий уровень собственных шумов, они работоспособны при температуре до 85°C, а технология кремниевых фотоприемных структур ныне доведена до совершенства. У германиевых фотодиодов уровень шума несколько выше, чем у кремниевых, и квантовая эффективность меньше, но большая подвижность носителей заряда в германии позволяет довести быстродействие до сотни пикосекунд.

Для линий связи, работающих на длине волны 1,3 мкм, пригодны фотодиоды из германия; их квантовая эффективность на 1,6 мкм падает до 50%. Для диапазона 1,5...1,6 мкм более эффективны фотоприемные структуры на основе сложных полупровод-

42

никовых соединений GaInAsP. С помощью новых полупроводниковых материалов этого класса удалось продвинуться в длинноволновый диапазон 1,6 мкм, расширив возможности существующих магистралей связи. Фотодиоды на основе GaInAsP существенно дороже, чем германиевые и тем более кремниевые фотодиоды, в первую очередь за счет более сложной технологии.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННОЙ ЛИНИИ

Импульсный отклик волоконной линии и предельная скорость передачи информации

При анализе искажений сигналов, передаваемых по световоду и вызванных дисперсией волокна, используют как временное представление, Ф(t), так и спектральное представление сигнала, S(ω).

Каждому из этих представлений сигнала соответствует свой метод определения дисперсионных характеристик. Во временном представлении определяют «импульсный отклик» – зависимость сигнала на выходе волокна от времени, R(t), при подаче на его вход бесконечно короткого импульса, описываемого δ-функцией. Самую грубую численную оценку импульсного отклика дает измерение его длительности τ на уровне 0,5 от максимума.

В первом приближении функцию отклика отображают центр

тяжести («середина», математическое ожидание, или первый мо-

∞

мент) t0 = ∫tR(t)dt и среднеквадратичная ширина (стандарт, стан-

−∞

дартное отклонение, второй центральный момент)

	∞			1/ 2
σ=	∫	(t −t	0	)2 R(t)dt .
−∞

Функция отклика при этом подчинена условию нормировки

∞

∫tR(t)dt =1.

−∞

43

Часто за длительность импульсного отклика принимают его удвоенный стандарт.

В частотном (спектральном) представлении дисперсию волокна описывают комплексной частотной характеристикой

K(ω) = Sвых(ω)/Sвх(ω).

Мощность входного сигнала модулируют по гармоническому закону на частоте ω. На высоких частотах амплитуда Sвых уменьшается из-за дисперсионного «расплывания горбов».

K(ω) и R(t) связаны между собой преобразованиями Фурье:

		1		∞
K(ω) =				∫R(t)e−iωtdt ,
		2π -∞
		1	∞
R(t) =			∫K(ω)e−iωtdω.
		2π
			−∞

Ширину полосы пропускания П обычно определяют по уровню

–3 дБ, т.е. |K(ω)| = 0,5.

Функцию отклика многих реальных систем можно аппроксимировать гауссовой кривой (рис. 17)

R(t)=exp[θ/4(ln2)t2/τ2].

Ее фурье-образ – частотная характеристика – также имеет гауссовский вид

K(ω)=exp[–(ln2)ω2/4π2Π2].

K(ω)	R(t)
1	1

		0,606	2σ
	2πΠ		τ
		0,5
	0,5

0

ω

t

Рис. 17. Частотная характеристика K(ω) и функция отклика R(t): Π – ширина полосы пропускания; τ – длительность импульсного отклика, σ – его стандарт

44

Значения Πτ и Πσ слабо зависят от конкретного вида функции отклика. На практике принимают Πτ = 0,44...0,60, Πσ = 0,34...0,42.

Как видно, полосу пропускания корректнее определять по среднеквадратичной ширине функции отклика. При импульсно-кодовой модуляции скорость передачи информации (бит/с) численно равна тактовой частоте передачи двоичных сигналов в герцах. Допустимая тактовая частота примерно равна полосе пропускания. Таким образом, скорость передачи информации можно определить из соотношений

Π ≈ 0,32...0,42 = 0,44...0,60 . 2σ τ

В данной работе исследуют импульсный отклик волоконной линии и измеряют время τ. Реально на вход волокна поступает импульс конечной длительности, но оценка остается корректной, если длительность входного импульса τвх << τ.

Измерения затухания в ВОЛС

В задание данной работы входят измерения затухания и оценки погонных потерь распространения света в волокнах. Измерение затухания на выделенном участке волоконной линии при ее известной длине не даст достаточных данных для достоверной оценки погонных потерь, если не выполнены следующие требования.

Во-первых, необходимо обеспечить тождественные условия ввода и вывода излучения при воспроизведении опытов с волокнами разной длины. Только в этом случае изменения затухания сигналов будут зависеть от изменения потерь распространения, и на них не повлияет эффективность согласования излучателя и приемника с волокном. Эта задача довольно трудна, если измерения проводят на волокнах, нестандартных по геометрии сечения. Для стандартных волокон со стандартными оптическими разъемами подобные измерения существенно проще, так как переходное затухание на стыках номинально одинаковых волокон обычно не превышает 0,1 дБ. Тем не менее, даже таким малым затуханием можно пренебрегать только при большой длине волокна, когда оно само вносит затухание порядка 3 дБ и более.

45

Во-вторых, для исключения влияния высших типов колебаний, затухающих относительно медленно, необходимо сопоставлять затухания в двух волокнах из одной и той же партии при длине одного образца не менее 100 м и длине другого образца на порядок большей. В противном случае оценка погонного затухания будет завышенной, так как до выхода длинного волокна не дойдут многие моды высшего порядка, затухающие сильнее, чем низшие моды. Отсюда следует, что измерения на многомодовых волокнах не дают достоверной оценки погонного затухания как характеристики материала.

В третьих, следует отличать уменьшение амплитуды светового импульса, вызванное дисперсией (энергетический штраф) и не связанное с потерями энергии, от истинных потерь энергии на рассеяние и поглощение. Например, если амплитуда импульса на конце линии уменьшается вдвое, а длительность вдвое увеличивается, то это означает, что потери энергии на линии пренебрежимо малы, и пиковая мощность светового сигнала уменьшилась только за счет дисперсии, а энергия светового импульса перераспределилась по более длинному интервалу времени.

Следовательно, корректное измерение погонного затухания как характеристики материала и структуры оптического волокна требует сознательного подхода к методике измерений и обработке данных. По крайней мере, нужно различать энергетические штрафы и истинное затухание с необратимой потерей энергии.

Существуют комплексные методики измерений характеристик волоконных линий, где измерение затухания выступает как неотъемлемая часть всей методики в целом. Примером может быть рефлектометрия с временным представлением, описанная далее.

Измерения продольной однородности ВОЛС. Рефлектометр с временным представлением

Для анализа распространения сигналов по световоду удобно временное представление Ф(t). Этот подход технически реализован в измерительной аппаратуре OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer, оптический измеритель отражения с временным представле-

46

нием). Приборы OTDR существуют как в лабораторных, так и в мобильных исполнениях; они представляют собой лазерные локаторы, посылающие в линию импульсный сигнал и принимающие рассеянное назад излучение.

В состав OTDR (рис. 18) входят: задающий генератор (Г) импульсов синхронизации передатчика (П), направленный ответвитель (НО), фотоприемник с волоконным входом (ФПУ) и цифровой стробоскопический осциллограф (см. приложение 4) с записью данных в буфер памяти. На рисунке стробоскопический осциллограф показан в виде развернутой схемы, состоящей из процессора сигнала и дисплея.

х	τ		Процессор	Г
		t+τ
	lg			t
y		t

дефект ФПУ

Р

линия НО

П

обрыв

Рис.18. Упрощенная структурно-функциональная схема рефлектометра OTDR

OTDR предназначены для измерения характеристик протяженных линий и кабелей непосредственно на месте прокладки, где аппаратуру можно присоединить только к одному концу линии, а ее противоположный конец недоступен. OTDR применяют для измерения затухания и отражений от неоднородностей (плохих стыков, дефектов, обрывов и пр.). Принцип действия и процедуры обработки сигналов в OTDR мы поясним на примере рис. 19, где показан образец рефлектограммы.

Развертка стробоскопа осциллографа синхронизирована с импульсами передатчика. На выходе (Р) направленного ответвителя действует излучение, рассеянное в волоконной линии назад. В абсолютно однородной линии это рассеяние – релееевское, и его мощность экспоненциально затухает по мере удаления от начала

47

волокна. С учетом затухания отраженного излучения при его распространении назад от участка, удаленного на расстояние X от входа, мощность сигнала рассеяния от этого участка на фотоприемнике пропорциональна exp{-2Xα}.

Рис. 19. Пример рефлектограммы линии с неоднородностями:

0 – отражение от начала линии, 1 – релеевское рассеяние назад и конус захвата на однородном участке, 2 – рассеяние назад на однородном участке, 3 – отражение от конца линии, 4 – расширение сердцевины и модового пятна в зоне сварки неодинаковых волокон, 5 – однородный участок, 6 – сужение сердцевины

и модового пятна в зоне сварки, 7 – плохой стык или трещина, 8 – шум логарифмического усилителя в отсутствие сигнала

Импульсный сигнал от точки X приходит к приемнику через интервал времени t = 2X/vg после импульса передатчика. Форму сигнала на выходе приемника S(t) exp{-tαvg} отображает и записывает стробоскопический осциллограф. Наиболее удобная форма представления результатов измерений OTDR – зависимость логарифма мощности отраженного сигнала от времени; осциллограмма отраженной мощности выглядит как линейно убывающая функция сonst (1 – tαvg), если линия однородна на всем ее протяжении. В координатном представлении осциллограмма имеет вид сonst (1 – 2αX), и из нее получают значение α.

48

Длительность импульса передатчика и согласованную с ней длительность выборки сигнала в стробоскопическом осциллографе выбирают достаточно большой, от десятка наносекунд до микросекунды, чтобы улучшить отношение сигнал/шум, избежать энергетических штрафов за дисперсию, но при этом не снизить до неприемлемого уровня пространственное разрешение рефлектограммы. Каждый отсчет рефлектограммы формируется усреднением множества импульсов с фиксированной задержкой момента стробирования отраженного сигнала по отношению к началу входного импульса. Это улучшает отношение сигнал/шум. Во всяком случае, для получения рефлектограммы требуется значительное время, тем большее, чем больше длина линии и чем выше требования к пространственному разрешению. Возможны измерения при фиксированном отношении сигнал/шум; время усреднения сигнала уменьшают при увеличении его текущей мощности. В таком режиме общее время измерения при заданной чувствительности будет минимальным.

Теперь прокомментируем рефлектограмму на рис. 19, где показаны примеры отображения неоднородностей и дефектов линии. В области больших времен (участок 2) показатель экспоненты почти постоянен и отображает погонное затухание в волокне. В области малых времен (участок 0) сигнал спадает очень быстро; этот сигнал вызван рассеянием быстро затухающих высших мод – вытекающих и оболочечных. Пик 7 вызван отражением от дефекта (наиболее вероятны трещина или сильная локальная деформация сердцевины). Так как за пиком 7 нет существенного спада сигнала, можно утверждать, что локальное затухание, связанное с выявленным дефектом, невелико в сравнении с общим затуханием, распределенным по длине линии. Пик 3 – отражение от конца линии. Отражение от обрыва линии (–15...20 дБ) на порядки сильнее, чем релеевское рассеяние (–65...90 дБ), поэтому высота пика 3 на рефлектограмме относительно велика. Наиболее трудны для расшифровки фрагменты 4...6 (изменения диаметра сердцевины). Иногда помогает только сравнение рефлектограмм, снятых для двух встречных направлений, если это возможно.

49

Приведенный пример показывает, как можно, имея доступ только к одному концу волоконной линии, измерить в ней общее и погонное затухание, длину трассы, провести локацию неоднородностей и дефектов, оценить их влияние на распространение световых импульсов. OTDR довольно дороги, но незаменимы в метрологическом обеспечении производства, монтажа и технического обслуживания волоконных линий связи. Без сложных аппаратурных комплексов с OTDR наивысшего качества был бы невозможен контроль прокладки и монтажа подводных трансокеанских ВОЛС.

Измерения хроматической дисперсии волокон

Для измерения хроматической дисперсии при любом методе и в любом представлении необходим источник монохроматического излучения, перестраиваемый по длине волны в достаточно широком диапазоне. Такие источники обычно непригодны для генерирования наносекундных импульсов, поэтому в состав установки придется ввести и быстродействующий модулятор излучения.

Измерения зависимости групповой задержки от длины волны достоверны только на многокилометровых волокнах. Чем меньше ожидаемая дисперсия, тем длиннее должна быть трасса. Например, если точность измерения вариаций групповой задержки 10 пс, то для волокон с номинальной нулевой дисперсией (2 пс/нм/км) нужно иметь произведение длины трассы на изменение длины волны около 50 км нм. При диапазоне перестройки источника 10 нм нужно взять волокно длиной 5 км. Легче (и важнее) измерять ненулевую дисперсию стандартных и улучшенных волокон для линий WDM; здесь при той же аппаратуре измерения можно выполнять на кабелях длиной порядка километра. При испытаниях уже проложенных трасс приходится проводить измерения на пролетах в десятки километров и более; здесь технические трудности возникают из-за взаимной отдаленности передающей и приемной частей. Так как в состав магистрального оптического кабеля входит множество волокон, то сигнал на передающую станцию можно после усиления вернуть по другому волокну к измерительному приемни-

50